微波消解-电感耦合等离子体质谱法测定菊花中稀土元素

黄聪薇，洪一苇，金寿珍，张琳，冯明慧，章剑扬，*，刘新，*

（1.中国农业科学院茶叶研究所农业农村部茶叶产品质量安全风险评估实验室，浙江杭州310008；2.中国农业科学院茶叶研究所农业农村部茶叶质量安全控制重点实验室，浙江杭州310008；3.桐乡市农业技术推广服务中心，浙江桐乡314500）

菊花属于菊科植物（Chrysanthemum），为我国传统中药，具有散风清热、平肝明目等功效，味甘、苦，性微寒，含有较多的挥发油、黄酮甙等，并含有丰富的钙、铁、锌等微量元素，具有药食两用功效，近年来深受人们的青睐，现已成为我国仅次于茶叶的第二大传统饮品原料[1]。

随着人们对食品安全的日益重视，有毒有害元素逐渐受到关注。由于骨蓄积性、毒性及其对人群健康的潜在危害[2]，稀土元素（rare earth elements，REEs）曾在茶叶中引起多方重视[3-4]，虽然GB 2762-2017《食品安全国家标准食品中污染物限量》中已经将其限量取消[5]，但作为风险评估和科学研究需要持续跟进。

电感耦合等离子体质谱法（inductively coupled plasma mass spectrometer，ICP-MS）在元素含量的测定方面具有很多优点，例如线性范围广、灵敏度高、稳定性好，能同时分析多种重金属元素等，是现今检测微量金属元素最便捷的设备之一，已在食品、农产品等分析测试领域普遍应用[6-7]。使用ICP-MS分析植食性产品中稀土元素，也已经成为当今主流[8-10]。

目前，对菊花茶在化学、药理、临床等方面研究的较多，对其铅、镉、铬等常见有害金属元素和铁、锌、镁等有益金属总量分析已有文献报道[11-13]，但对其中的REEs的分析尚未见报道，因此，本研究拟建立和优化菊花中REEs的分析测定方法，并选取我国3个主要菊花产地的样品，对其中的REEs含量进行检测和初步的分析比较，结合产地调研，分析比较了不同产地菊花中REEs含量，为菊花的质量控制、风险评估、地理溯源以及标准制定提供了一定的参考。

1 材料与方法

1.1 材料、试剂和仪器

杭白菊：市售（浙江桐乡）；贡菊：市售（安徽黄山）；杭白菊：市售（江苏射阳）。

硝酸（色谱纯）：德国Merck公司；稀土元素标液及内标 Ge、In、Re：美国 Sigma公司；去离子水（18.2 MΩ·cm）：Millipore公司。

Mars6微波消解仪：美国CEM公司；X SeriesII型电感耦合等离子体质谱仪：美国赛默飞世尔科技公司；BHW-09C石墨赶酸装置：上海博通公司。

1.2 试验方法

1.2.1 标准溶液的配制

分别将浓度为100 mg/L的16个稀土元素（Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu）标准储备液用质量分数为2%的HNO3溶液配成混标，逐级稀释，配制成浓度为 50、25、10、5、1 μg/L 的混合标准工作溶液（体积比）。

1.2.2 样品的处理

将购于市场的菊花样品用粉碎机粉碎，过30目筛，混匀。准确称取0.350 g左右试样，加入（5∶1，体积比）HNO3+H2O2混合酸溶液，经微波消解程序升温消解后（表1），转移至容量瓶中定容，待测，同时测定标准物质和空白对照。

表1 微波消解程序Table 1 Digestion procedure of microwave

1.2.3 ICP-MS的条件

使用 10 μg/L 的7Li、59Co、115In、238U 调谐液对仪器参数进行优化处理，使1 μg/L的115In和238U的计数分别大于4×104cps和8×104cps以进行全质量范围内质量校正，使氧化物比率CeO+/Ce2+≤0.5%和双电荷比率Ba++/Ba+≤2%分别达到分析要求。

1.2.4 数据分析

主成分分析使用Simca-P 11.5软件，聚类分析使用 PASWstat software（版本18.0，美国）软件。

2 结果与分析

2.1 标准曲线

分别测定16种稀土元素标准溶液的离子计数，以离子计数对应溶液浓度绘制标准曲线，重复6次，线性范围、相关系数、检出限及相对标准偏差（relative standard deviation，RSD）见表 2。

表2 各元素标准溶液线性范围、相关系数、检出限及相对标准偏差Table 2 Linear range，correlation coefficient，detection limit and relative standard deviation

2.2 前处理方式的选择

由于菊花中含有丰富黄酮类、挥发油类、有机酸类和氨基酸类等有机物质[14]，而其中的挥发油类物质难以常规消解，因此对前处理的选择尤其显得重要。试验中比较了干灰化消解、湿法消解以及微波消解3种方式，结果见表3。

表3结果显示，干灰化消解后溶液浑浊，稀土含量显著偏低，约占微波消解处理所测结果的70%；湿法消解虽然与微波消解处理后的检测结果相近，但耗时较多；最后考察了HNO3和H2O2+HNO3两种消解介质，结果发现，相对纯酸，H2O2+HNO3处理后的溶液更加清澈透明，而且结果更为稳定，因此选择H2O2+HNO3为该试验的消解介质。

表3 不同消解方式考察Table 3 Investigation of different digestion methods

2.3 精密度试验

取粉碎后的菊花样品，准确称取6份0.3 g～0.4 g，按照优化的前处理方式消解，在选定的ICP-MS分析条件下连续进样分析。内标法进行校正，以测定结果的相对标准偏差计算16种元素的重复性结果。试验结果显示，所得结果相对标准偏差在1.93%～4.69%之间，说明该方法精密度良好。

2.4 准确度评价

以GBW10052（GSB-30）《生物成分分析标准物质（绿茶）》为标准物质参照，重复6次，分别测定其中16种稀土元素含量，对照参考值，见表4。

表4 各元素在标准物质中的参考值、测定值及相对标准偏差Table 4 Reference，measured values and relative standard deviation

表4结果显示，实际测定值在参考值标定误差范围内，说明该方法可靠，测定结果准确，满足稀土元素分析要求。

2.5 实际样品的测定分析

分别从桐乡、黄山和射阳3个当地市场购买菊花样品，并对其中∑REOs（稀土元素氧化物总量）进行了初步分析，3个主要产地菊花中稀土元素含量现状见表5。

从表5发现，3个地区的菊花样品中∑REOs平均含量均未超过2.0 mg/kg，来自桐乡的∑REOs平均含量显著高于其它两个地区，达到1.747 9 mg/kg，黄山地区的菊花∑REOs含量最低，只有0.445 6 mg/kg，其中LREE和HREE在对应菊花中的含量，也呈相应比例。黄山地区的菊花中LREE/HREE比值最低，为2.035 7，射阳和桐乡地区分别达到2.696 4和3.461 5。

表5 3个主要产地菊花中稀土元素含量现状Table 5 The status of REEs in the chrysanthemum of 3 main planting regions

从检测结果分析发现，菊花中∑REOs整体较低，将近70%的样本量中的含量低于1.0 mg/kg，约90%的样本量中的含量低于2.0 mg/kg。∑REOs最高样品来自桐乡，达到6.381 8 mg/kg，其中有8个样品含量超过2.0 mg/kg；含量最低的样品来自黄山，为0.215 1 mg/kg，只有1个样品含量超过2.0 mg/kg。3个主要产地菊花中∑REOs含量分布见图1。

图1 3个主要产地菊花中∑REOs含量分布Fig.1 Distribution of∑REOs in chrysanthemum from 3 main planting regions

图2 3个主要产地菊花中稀土各元素含量分布Fig.2 Distribution of each REEs in chrysanthemum from 3 main planting regions

从图1看出，来自桐乡的样品中的∑REOs范围最大，射阳次之，黄山最小，3个地区都出现了上限极值。3个主要产地菊花中稀土各元素含量分布见图2。

从图2看出，对总量贡献最主要的是Sc、Y、La、Ce、Pr和Nd 6个稀土元素，3个地区的稀土单个元素的含量分布呈锯齿状，且趋势类似，说明不同产地和不同菊花品种对单个稀土元素的积累和富集无明显选择性差异。相关系数矩阵的特征值、方差贡献率和累计方差贡献率见表6。

表6 相关系数矩阵的特征值、方差贡献率和累积方差贡献率Table 6 Eigenvalues of two principal components and their variance contribution and cumulative variance contribution rates

由表6可见，前2个主成分的累计贡献率可达90%以上，所以可将上述16个元素相对含量的指标综合成表6中的2个主成分（PC1和PC2）。其中对PC1的影响的主要特征向量为除了Sc、Y和Eu以外的13个元素。因此本研究将这13个元素的含量水平在一定程度上是判别菊花产地的重要指标。全部菊花样品在PC1和PC2上的三点分布图如图3所示。

图3 不同产地的菊花样品在第1主成分和第2主成分分布Fig.3 Scatter plot of the first two principal component analysis of chrysanthemum samples from different origins

由图3可知，来自黄山的样品聚集最为集中，基本可以通过这些指标实现有效区分，而来自桐乡的样品最为分散，而且与来自射阳的样品在图上重叠较多，区分效果不理想。

3 结论

本文通过混合酸消解预处理，电感耦合等离子体质谱法测定，建立了菊花中稀土元素含量的准确测定方法，该方法准确、可靠、快速，适用于菊花样品中稀土元素的测定。应用所建立的方法，对我国3个主要菊花产地所采集的菊花样品中的稀土含量进行了测定，并通过方差分析和主成分分析，结果发现来自黄山的菊花样品与其他样品达到了较好的区分效果。该研究为我国菊花中稀土元素的风险评估及产地溯源等科学研究提供了基础数据和一定的理论参考。